О ВОЗМОЖНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОЩАДИ ПЕРВОНАЧАЛЬНОГО
ВКЛЮЧЕНИЯ СИЛОВЫХ ТИРИСТОРОВ
ПО ПАРАМЕТРАМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РЕЖИМА ВКЛЮЧЕНИЯ
Н. Н. Беспалов, В. В. Пузанов
В тиристорной структуре при переключении из закрытого состояния в открытое наблюдается эффект локализации включенного состояния в области первоначального включения, формируемой вблизи управляющего электрода. В связи с относительно малыми размерами площади (S0 =1-8 мм2) первоначального включения области первоначального включения и ограниченной радиальной скоростью (vr <=0.1 мм/мкс) распространения включенного состояния по площади тиристорной структуры во время включения при высоких значениях скорости нарастания тока diT/dt в открытом состоянии в области первоначального включения возникают большие локальные электрические потери. Эти потери приводят к перегреву области первоначального включения и на границах разделов открытых участков p-базы и n-эмиттера и катодной металлизации возникают термически активируемые деградационные процессы, приводящие к отказу силового тиристора. Локальность включения усугубляется различного рода неконтролируемыми технологическими дефектами тиристорной структуры в области управляющего электрода. Это приводит к существенному разбросу величин площадей первоначального включения тиристорных структур одного типа и, соответственно, величин энергии электрических потерь AT в области первоначального включения при равных внешних условиях включения, что обуславливает различную надежность силовых тиристоров в режимах с высокими значениями diT/dt. Таким образом, для обеспечения заданной diT/dt-стойкости силового тиристора при эксплуатации необходима разработка метода и аппаратуры для объективного неразрушающего определения параметра критической скорости (diT/dt)crit нарастания тока в открытом состоянии, характеризующего динамическую теплостойкость силового тиристора при включении, с учетом конкретных условий формирования включенного состояния.
Прямого метода определения (diT/dt)crit в промышленности не существует. Косвенный же метод должен основываться на объективной оценке параметров области первоначального включения. Наиболее информативным параметром, характеризующим размеры включенного состояния, является, прежде всего, площадь начального включения (S0). Это обусловлено тем, что максимальный перегрев области первоначального включения, определяющий развитие деградационных процессов в ней, обратно пропорционален площади начального включения:
где, с — удельная теплоемкость кремния; р — плотность кремния; d — толщина тиристорной структуры.
Анализ работ по моделированию процесса включения показывает, что наиболее объективно оценивать площадь первоначального включения силового тиристора возможно по параметрам процесса включения на активную нагрузку R в режиме высоких уровней инжекции носителей и при достижении на этапе нарастания тока в открытом состоянии дрейфовых скоростей насыщения электронов (vns) и дырок (vps).
На рисунке ниже представлена цепь включения силового тиристора. Рассмотрим переходной процесс включения силового тиристора в этих условиях.
При включении p-n-p-n-структуры силового тиристора при высоких уровнях инжекции в обоих базовых слоях анодное напряжение на тиристоре определяется соотношением (1):
где
— параметр, обратно пропорциональный площади первоначального включения и имеющий размерность индуктивности,
W — суммарная толщина баз тиристорной структуры; е — относительная диэлектрическая проницаемость кремния;
е0 — диэлектрическая проницаемость вакуума,
t — эффективное время жизни носителей при высоких уровнях инжекции в базах,
iT — ток в открытом состоянии.
На основании второго закона Кирхгофа для представленной цепи включения силового тиристора можно записать формулу (2):
где UDM — амплитуда напряжения на силовом тиристоре в закрытом состоянии,
равное напряжению постоянного источника Е.
В качестве начального условия выберем ток, по достижении которого в узкой р-базе реализуется высокий уровень инжекции (3):
где Ja — плотность анодного тока.
Нарастание тока через p-n-p-n структуру силового тиристора описывается выражением (4):
Для случаев, когда Io<<Imax и L0<<R, выражение можно упростить (5):
где tBB — постоянная нарастания тока (высокий уровень инжекции в обеих базах) задается выражением (6):
Мощность, выделенная в области начального включения, определяется в виде (7):
Тогда энергия, выделенная в области начального включения, описывается выражением (8):
Для оценки возможности определения площади начального включения по параметрам переходного электрического процесса включения силового тиристора по полученным зависимостям проводился расчет. Использовались параметры тиристорных высоковольтных структур Т453(553)-800 при высоком уровне инжекции: Wn=500 мкм, Wp=200 мкм, t=20 мкс, Ja=500 А/см2. vns=1,1 107 см/с, vps=9,5 106 см/с, ee0=10-12 Ф/см, S0=(1-10) мм2. Расчет проводился при напряжении UDM=1000 B и сопротивлениях резистора R=(1-20) Ом.
Зависимость энергии потерь АТ (t=2 мкс) от сопротивления R.
Из рисунка видно, что при R=20 Ом в области первоначального включения силового тиристора выделяется энергия, величина которой безопасна для работы силового тиристора. При этом наблюдается однозначная обратная зависимость выделенной энергии от площади первоначального включения.
На следующих двух рисунках представлены временные зависимости тока iT в открытом состоянии и напряжения uT на силовом тиристоре при различных значениях площади первоначального включения и при R=20 Ом.
Временные зависимости тока iТ через силовой тиристор при различных площадях первоначального включения.
Временные зависимости напряжения uТ на силовом тиристоре при различных площадях первоначального включения.
Из результатов моделирования видно, что скорость нарастания тока diT/dt и скорость спада напряжения duT/dt значительно зависят от площади первоначального включения.
Далее представлены временные зависимости мощности РT и энергии AT потерь в области первоначального включения силового тиристора при различных значениях площади первоначального включения и при R=20 Ом.
Временная зависимость мощности потерь РТ в области первоначального включения силового тиристора.
Временная зависимость энергии потерь АТ в области первоначального включения силового тиристора.
Из этих графиков также видна существенная зависимость рассматриваемых электрических параметров от площади первоначального включения.
Таким образом, наблюдаются значительные зависимости рассмотренных параметров электрического переходного процесса включения от важного, с точки зрения объективности определения динамической теплостойкости силового тиристора при включении с высокими значениями скорости нарастания тока diT/dt в открытом состоянии, параметра силового тиристора – площади первоначального включения.
Наиболее информативным параметром является энергия потерь AТ, выделенная в области первоначального включения к определенному моменту времени на этапе включения.
Ниже представлен расчетный график зависимости энергии потерь AT, выделенной в области первоначального включения силового тиристора в указанном режиме включения к моменту t=2 мкс, от величины площади первоначального включения.
Зависимость энергии потерь АТ (t=2 мкс) от площади первоначального включения при R=20 Ом.
Из представленной зависимости видно, что изменение площади первоначального включения на порядок величины (от 1 мм2 до 10 мм2) приводит к понижению величины энергии потерь AT (t=2 мкс) приблизительно в 6,7 раза. Таким образом, столь существенная зависимость рассматриваемого параметра от площади первоначального включения обуславливает возможность разработки метода определения площади первоначального включения силового тиристора при относительно простой технической реализации.
Измерив в специальном тестовом режиме включения величину информационного параметра — энергию потерь AT и оценив по нему значение площади первоначального включения силового тиристора, возможно в конкретном режиме включения силового тиристора с повышенной скоростью нарастания тока diT/dt оценить и максимальный перегрев тиристорной структуры.
Этой оценкой можно воспользоваться для определения критической скорости (diT/dt)crit нарастания тока в открытом состоянии.
 (812) 331-96-57 |
наверх страницы |  kronek1@yandex.ru kronek.ltd@gmail.com |
Заказ продукции и условия поставки.